山东大学程教授团队：超低温吸附-快速再生脱硝工艺研究及其在微孔材料表征中的应用

一．摘要
氮氧化物（NOₓ）是工业烟气中的主要污染物之一，其高效治理对实现大气环境质量改善具有重要意义。传统的氨选择性催化还原（NH₃-SCR）技术在低温段（<160°C）效率低下，且易受SO₂和粉尘影响。针对这一问题，本研究提出了一种基于旋转反应器的NOₓ吸附-封闭再生新工艺（NAER），该工艺可在超低温条件下（50°C）实现NOₓ的高效吸附，并在封闭环境中利用CO作为还原剂进行原位催化还原，实现吸附剂的快速再生与循环使用。

二．创新点

创新点一：工艺集成与低温适应性
NAER工艺（图1）将吸附与催化还原过程有机结合，通过在烟气末端设置旋转反应器，实现了吸附与再生的连续切换。该工艺无需外加氨源，避免了氨逃逸带来的二次污染，同时具备低温适应性强、抗硫抗尘性能好等优势，适用于钢铁、水泥、玻璃等行业的低温烟气治理。

创新点二：金属掺杂活性炭催化剂的开发与优化
研究选用椰壳基活性炭为载体，通过硝酸和KOH活化处理，并采用水热离子交换法负载Fe-Co和Mn-Ce双金属组分。实验结果表明，Fe₄Co/ACH在250°C条件下，NO转化率可达93.62%，N₂选择性达94%，表现出优异的低温催化活性和再生稳定性。金属掺杂不仅提升了材料的氧化还原性能，还通过形成协同氧空位增强了CO-SCR反应效率。

创新点三：封闭高浓度CO再生机制
与传统热再生或连续CO吹扫再生相比，本研究提出的“封闭高浓度CO再生”方法能有效阻止NOₓ逸出，提高反应效率。在封闭环境中，CO与吸附的NOₓ充分反应，促进硝酸盐物种的深度分解，再生后材料的吸附容量保持率高达97%以上，循环稳定性显著提升。

图1：NAER工艺示意图

三．比表面积与孔径测试分析
为深入探究材料结构与其吸附-催化性能之间的关系，本研究对系列活性炭样品进行了系统的孔结构表征。测试采用Quantachrome Autosorb 1C和V-Sorb 4800P型比表面积与孔径分析仪，在液氮温度（77 K）下进行N₂吸附-脱附实验，通过BET方法计算比表面积，并利用BJH模型分析介孔分布（表1）。

结果表明，经硝酸活化后的ACH样品比表面积最高，达938.4 m²/g，总孔容为0.42 cm³/g，微孔体积占比达84.6%，平均孔径为8.8 nm。金属掺杂后，Fe₄Co/ACH和MnCe/ACK的比表面积分别下降至808.5 m²/g和710.7 m²/g，但介孔比例有所上升，说明金属粒子在孔隙中的负载导致部分微孔堵塞，同时也形成了有利于气体扩散的介孔结构。

四：结合SICOPE 40微孔分析仪的优势分析
在催化与吸附材料研究中，孔径分布在0.35–2 nm范围内的微孔结构对气体分子的吸附与扩散行为具有决定性影响。SICOPE 40微孔分析仪具备0.35–500 nm的宽范围孔径分析能力，尤其在对微孔材料的精准表征方面表现卓越。其采用高精度压力传感器与He-Free自由空间标定技术，可有效避免氦气残留对超微孔测试的干扰，确保在低压微孔段的数据可靠性。SICOPE 40微孔分析仪测试非常适用于脱硝催化剂材料测试，该设备支持N₂、Ar、CO₂等多种吸附质，结合不少于40种NLDFT模型，能够精准解析活性炭、分子筛、金属氧化物等材料的孔径分布与表面能特性，为优化催化剂设计、提升低温脱硝性能提供关键数据支撑。其四站并行测试与原位脱气功能，也大大提升了研发效率与数据一致性。

国仪量子SiCOPE40 比表面积及孔径分析仪

产品特点

l 精准控气 效能提升

采用高精度比例阀与电磁阀联动控制技术，确保目标压力点的快速精准控制，大幅提升仪器运行效率，控气精度达±0.5 mmHg。

l 精准控漏 精度领航

创新性自研自锁阀、电磁阀等核心部件，技术自主可控，极低漏率为低压微孔段测试提供高精度保障。

l 模型精铸 洞见非凡

软件内置算法集成BET、Langmuir、HK等常用分析模型及不少于40种NLDFT模型；BET一键智能选点，解决微孔材料BET段前移的选点问题，消除不同人员处理数据的偏差。

l 无尘精装 稳定保障

核心模块在ISO Class 7万级洁净间（电镜级装配标准）完成全密封组装，相较传统装配环境洁净度提升两个数量级，确保气路系统的可靠性和稳定性。

l 自动后标 零氦测试

采用He-Free自由空间后置标定方案，从源头消除氦气残留对测试的干扰，为超微孔材料精准分析提供可靠方案。

l 灵活脱气 转移无忧

支持原位与异位两种脱气方式，提供空气隔离塞或真空隔离塞，保障微孔样品从脱气站转移至分析站过程零污染。

l 人性设计 省力高效

垂直上推式防护门操作便捷、节省空间；杜瓦瓶设计符合人体工学，方便拿取；设备底座内嵌进度灯条实时反馈测试进度。

本研究成功开发了一种适用于超低温烟气条件的NAER脱硝工艺，并通过金属掺杂改性提升了活性炭材料的吸附与催化性能。结构表征表明，材料的微孔与介孔协同作用对NOₓ的吸附与还原具有重要影响。未来，结合如SICOPE 40等高精度微孔分析设备，将进一步推动多孔催化材料的结构-性能关系研究，为实现高效、低成本的工业烟气治理技术提供理论与实验基础。